Tioesterit: määritelmä, rakenne ja merkitys ATP:n tuotannossa

Tioesteri on molekyyli, jossa on ryhmä C-S-CO-C. Ne ovat kuten esterit, mutta niissä on happiatomin sijasta rikkiatomi. Kuten estereitä, niitä voidaan valmistaa karboksyylihapoista. Synteesissä käytetään alkoholin sijasta tiolia. Tyypillisesti tioesterin rakenne esitetään muodossa R–C(=O)–S–R', eli karboksyyliryhmän happi on korvautunut rikkiorgaanisella osalla. Tämä pieni rakenne-ero vaikuttaa merkittävästi tioesterin kemiallisiin ominaisuuksiin ja reaktiivisuuteen verrattuna estereihin ja amideihin.

Rakenteelliset ja kemialliset ominaisuudet

Tioesterit eroavat estereistä siten, että rikki on heikommin konjugoitunut karbonyylin kanssa kuin happi. Tämän seurauksena tioesterin C=O–S -järjestelmässä resonance‑stabilisaatio on heikompi, minkä vuoksi tioesterin karbonyyliyhdiste on elektronisesti aktiivisempi ja helpommin osallistuu akyylinsiirto‑reaktioihin. Käytännössä tämä näkyy siten, että tioesterit ovat yleensä reaktiivisempia nukleofiilisiä hyökkäyksiä ja hydrolyysiä kohtaan kuin vastaavat esterimuodot.

Tioesterien α‑protonit ovat usein hieman helpommin deprotonoitavissa kuin estereillä, mikä helpottaa enolaatin muodostumista ja tekee tioestereistä hyviä lähtöaineita esimerkiksi Claisen‑tyyppisiin kondensaatioreaktioihin ja muihin enolaatin välitteisiin reaktioihin. Tioesterien hydrolyysi tuottaa karboksyylihapon ja vapaan tiolin; käytännössä biologisissa järjestelmissä tämä tioli on usein koentsyymi A:n (CoA) sulfhydryyliryhmä.

Biologinen merkitys ja rooli ATP:n tuotannossa

Tioesterit ovat erittäin tärkeitä biokemiassa. Niitä syntyy elimistössä rasvahappoja tuottavissa reaktioissa ja monissa muissa aineenvaihduntareiteissä. Erityisen keskeisiä ovat asetyyli‑CoA (acetyl‑CoA) ja muut acyyli‑CoA-kompleksit, joissa karboksyylihappo on sitoutuneena koentsyymi A:n tioliryhmään tioesterisidoksena. Myös esimerkiksi succinyl‑CoA on tärkeä tioesteri TCA‑kierron reaktioissa.

Tioesterien energia‑ominaisuudet tekevät niistä keskeisiä ATP:n tuotannossa. Asetyyli‑CoA toimittaa kahden hiilen yksiköt sitoutettuna aktiiviseen thioesterimuotoon Krebsin syklille (TCA‑kierto). TCA‑kierron oksidaatio tuottaa NADH:ta ja FADH2:ta, jotka siirtävät elektronit hengitysketjuun ja johtavat ultimately oksidatiiviseen fosforylaatioon ja suuren ATP‑määrän muodostumiseen. Lisäksi succinyl‑CoA:n muuntuminen succinaatiksi katalysoi reaktiota, jossa syntyy GTP:tä (tai ATP:ta) suoraan TCA‑kiertoon kuuluvaa substraattitason fosforylaatiota käyttäen (succinyl‑CoA syntetaasi -entsyymin toimesta). Näin tioesterit ovat paitsi energiaa välittäviä myös suoraan ATP:n/GTP:n muodostusta mahdollistavia välittäjiä.

Rasvahappometaboliassa tioesterit näkyvät sekä katabolian että anabolian vaiheissa: rasvahappojen aktivointi ja hajoaminen (beta‑oksidaatio) tapahtuvat usein acyl‑CoA‑muodossa, ja rasvahappojen synteesissä pitkien ketjujen kantajana toimii acyl carrier protein (ACP), jossa acyyli on sidottuna fosfopanteteiini‑ryhmän tioliin tioesterinä (esim. malonyl‑ACP).

Käyttö ja synteesi laboratoriossa

Kemiassa tioestereitä voidaan käyttää myös elektrofiileinä. Ne ovat reaktiivisempia kuin esterit ja amidit, minkä vuoksi niitä käytetään akyylinsiirto‑reaktioihin, transakylaatioihin ja kemialliseen synteesiin, jossa tarvitaan tehokkaita akyylidoniaatteja. Tioesterit voivat myös osallistua aldoli‑ ja Claisen‑tyyppisiin reaktioihin, koska niiden alfahiukkaset deprotonoivat helpommin ja muodostavat enolaatin kaltaisia välituotteita (aldolireaktioita).

Tyypillisiä laboratorio‑synteesimenetelmiä ovat karboksyylihapon ensin aktivointi (esim. muodostamalla happoklooridi) ja tämän jälkeen reaktio thiolin kanssa; vaihtoehtoisesti käytetään karboksyylihaposta aktivointireagensseja (esim. DCC/EDC, CDI) ja suoraa kondensaatiota tiolien kanssa. Biokemiallisesti acyl‑CoA‑muodot muodostuvat usein acyl‑CoA‑syntetaasien avulla: ensin muodostuu acyl‑AMP‑väliainetta ATP:n avulla, jonka jälkeen acyyli siirtyy koentsyymi A:n tioliryhmälle.

Stabiilisuus ja käsittely

Tioesterit yleensä hydrolysoituvat helpommin kuin esterit ja amideihin verrattuna, joten laboratoriossa niiden puhtaus ja säilytys on suunniteltava huolellisesti (kostea ympäristö edistää hydrolyysiä). Lisäksi vapaat tiolit (jos läsnä) voivat hapettua disulfideiksi; toisaalta itse tioesterit eivät ole vapaita tioleja, vaan niiden synteesissä vapautuva tioli voi olla haiseva ja reaktiivinen. Biologisissa järjestelmissä tioesterit ovat usein suojattuja entsyymien aktiivisissa keskuksissa, mikä kontrolloi niiden reaktiivisuutta ja estää ei‑toivottuja sivureaktioita.

Yhteenveto

• Tioesterit ovat karboksyyliyhdisteitä, joissa akyyliryhmä on sidottu rikkiatomiin (R–C(=O)–S–R').
• Ne ovat kemiallisesti reaktiivisempia kuin vastaavat esterit, mikä tekee niistä erinomaisia akyylinsiirtojärjestelmiä sekä laboratoriokemistiassa että luonnon entsymaattisissa reaktioissa.
• Biokemiallisesti tioesterit kuten asetyyli‑CoA ja succinyl‑CoA ovat keskeisiä välituotteita aineenvaihdunnassa ja ATP:n tuotannossa sekä rasvahappometaboliassa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on tioesteri?

K: Miten tioestereitä syntetisoidaan?

K: Mikä on tioesterien merkitys biokemiassa?

K: Miten tioesterit ovat reaktiivisempia kuin esterit ja amidit?

K: Mikä on esterien ja tioesterien välinen samankaltaisuus?

K: Mitä eroa on tioesterien ja esterien välillä?

K: Mikä on tioesterien tehtävä ATP:n tuotannossa?

Hae kirjaimella